Переработка лома цветных металлов

В отечественной литературе под цветными металлами подразумевают в основном медь, цинк, кадмий, никель, кобальт и ртуть. Отдельно от цветных числятся легкие – натрий, калий, магний, кальций и алюминий. Особую группу составляют благородные – золото, серебро и платиноиды. В число редких включают многие d-металлы – титан, цирконий, тантал, ниобий, ванадий, многие из которых в настоящее время перестали оправдывать свое название (титан, ванадий). Группу рассеянных элементов образуют галлий, индий, таллий и некоторые f-металлы, к радиоактивным относятся природные радий, уран, торий и сравнительно недавно полученные техногенные d- и f-элементы. Кстати, число техногенных элементов стремительно растет, и они тоже претендуют на выделение в особую группу.

Зарубежные авторы делят металлы на две большие группы железные и нежелезные (ferrous metals и nonferrous metals). Такого рода деление затушевывает элементы классификации и систематики, но зато оно отражает крайнюю степень смешанности металлов, которые используются в большинстве случаев в виде сплавов.

Алюминий и его сплавы

На основе легких металлов (кроме перечисленных к ним относят также литий, бериллий, скандий и галлий) в сочетании с кремнием и бором получают твердые конструкционные, подшипниковые сплавы и жидкие сплавы – растворители и теплоносители.

Первым этапом их утилизации является разделение кислотных и амфотерных компонентов путем обработки расплавом щелочи в присутствии кислорода: (Al, Ga, Ge, B, Si) + (NaOH, O2) → NaAlO2, NaGaO2 NaBO2, Na2GeO3, Na2SiO3.

Более легкие и легкоплавкие щелочные и щелочноземельные металлы скачивают с поверхности ванны и выделяют из расплава электролизом, а соли растворяют в горячей воде, нейтрализуют раствор углекислым газом, отфильтровывают осажденные в результате гидролиза кислоты, после чего фильтрат направляют на упаривание и регенерацию щелочи, а осадок сушат и перерабатывают методами металлотермии.

Вмещающим компонентом большинства легких сплавов является алюминий. Остальные элементы содержатся в следующих количествах (табл. 1).

Таблица 1. Состав алюминиевых сплавов (%, остальное – алюминий)

Сплав	Медь	Железо	Магний	Марганец	Кремний
Дюралюминий	2,5 – 5,0	-	0,5 – 2,0	0,5 – 1,2	0,2 – 1,0
Магналий	-	-	10 – 30	-	-
Силумин	-	-	-	-	12 - 14
Склерон	3,0	до 0,5	-	0,6	до 0,5

Рост производства алюминия приводит к двух-трехкратному увеличению вторичных ресурсов из-за роста отходов обработки и широкого использования сплавов в быту и для изготовления тары. В настоящее время вторичный алюминий составляет 20% от объема производства. Основные вторичные ресурсы – это тара, провода, стружка и вышедшие из строя детали, побочные красные шламы (основа – железистые шпинели алюминия), горные глинистые отходы, золы, шлаки и некоторые породоотвалы.

Основной процесс утилизации алюминиевых отходов – плавка в горизонтальной ванной печи с подачей лома непосредственно в расплав и погружением его с помощью прижимных валков во избежание переокисления. Однако проблема не только в окислении, а в том, что лом имеет сложный, разнообразный и непостоянный состав. Помимо обычных компонентов алюминиевых сплавов лом может содержать значительные количества никеля, хрома, кальция и титана. Иногда он содержит и неметаллы – фосфор, серу, мышьяк и сурьму. Все это вызывает необходимость его предварительной разделки (ручной, механической, магнитной и электродинамической), Эти операции не только позволяют повысить содержание алюминия в ломе с 70 до 99%, но и удалить примеси, мешающие его последующей обработке и снижающие качество вторичного металла.

Следует отметить, что чисто алюминиевые материалы используются только в электротехнике, а остальной алюминиевый лом – это сплавы или механические сочетания с большим или меньшим содержанием железа. Поэтому основная проблема утилизации алюминия – это отделение черных сплавов. Значительная часть их отделяется во время предварительной плавки.

Рафинирование алюминия производят в два этапа. На первом металл расплавляют на поверхности искусственного тяжелого расплава (например, сульфида никеля, плотность которого 5,5 кг/дм3, температура плавления 8000°С), затем сливают расплав в конвертор, продувая кислород для удаления неметаллов и добавляя раскислители-шлакообразователи (Mg, B, Si) для восстановления остаточного Al2O3.

Медь и ее сплавы

Важнейшим среди тяжелых металлов по праву считается медь. Как и алюминий, она является весьма энергоемким металлом. Большая часть ее используется в электротехнике, где требуется материал высокой степени чистоты, который может быть получен только электролитическим путем. Соответственно, и отходы ее отличаются высокой чистотой. Поэтому утилизация металлической меди очень выгодна экономически.

Процесс состоит из трех стадий – разборка, черновая плавка и рафинирование. Первая стадия преследует цель отделения попутных металлов и неметаллических, в том числе полимерных, компонентов, вторая позволяет получить металл 99%-ной чистоты, третья – очистить до 99,99%.

Основной источник вторичной меди – отходы обработки сплавов (табл. 2).

Таблица 2. Состав важнейших сплавов меди

Компоненты Сплавы	Cu	Sn	Be	Al	Si	Zn	Ni	Mn
Бронзы:
Колокольная	80	20	-	-	-	-	-	-
Фосфористая	91	9	-	-	-	-	-	-
Бериллиевая	94	-	6	-	-	-	-	-
Алюминиевая	80	20	-	-	-	-	-	-
Кремнистая	98	-	-	-	2	-	-	-
Латуни:
Красная	80	-	-	-	-	20	-	-
Желтая	50	-	-	-	-	50	-	-
Белая	20	-	-	-	-	80	-	-
Прочие:
Константан	60	-	-	-	-	-	40	-
Никелин	56	-	-	-	-	13	31	-
Манганин	84	-	-	-	-	-	4	-
Нейзильбер	50	-	-	-	-	40	10	-
Монельметалл	30	-	-	-	-	-	70	-

Большинство вторичных сплавов обрабатывают гидрометаллургическим методом, переводя в раствор все основные компоненты сплава и затем выделяя их путем электролиза. Для растворения чаще всего используют серную кислоту, а в качестве окислителей - кислород или дихромат калия:

3Cu + 7H2SO4 + K2Cr2O7 = 3CuSO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O

Недостатком этого метода является отсутствие селективности при растворении компонентов сплава, достоинством – высокая скорость реакций и возможность использовать электролиза как на стадиях выделения металлов, так и для регенерации хрома (VI).

Более приемлемым является селективный метод, при котором растворение вначале ведут без окислителя, переводя в раствор менее благородные компоненты сплава (цинк, олово, никель, марганец, бериллий, алюминий), а затем отфильтрованный осадок, содержащий медь, обрабатывают свежим раствором кислоты в присутствии дихромата. Далее медь выделяют из раствора электролизом на медном катоде, после чего заменяют катод, а этот раствор снова подвергают электролизу с целью регенерации хрома.

Другими источниками вторичной меди являются электропровода, автомобильный лом, отработанные катализаторы, травильные растворы, анодные шламы и плавильные шлаки. Каждый из этих видов отходов перерабатывают отдельно, по особой технологии. Смешивание различных видов медного сырья резко осложняет переработку.